隔熱膜和形成隔熱膜的方法
【專利說明】隔熱膜和形成隔熱膜的方法
[0001]發(fā)明背景
[0002] 1.發(fā)明領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及在鋁基元件的壁表面上形成的隔熱膜和形成隔熱膜的方法，并例如涉 及在面向內(nèi)燃發(fā)動機燃燒室的部分或全部壁表面上形成的隔熱膜和形成隔熱膜的方法。
[0004] 2.相關(guān)技術(shù)描述
[0005] 內(nèi)燃發(fā)動機，如汽油機和柴油機主要由發(fā)動機缸體、氣缸蓋和活塞形成。內(nèi)燃發(fā)動 機的燃燒室由氣缸體的鏜孔面、裝配在鏜孔中的活塞的頂面、氣缸蓋的底面和安置在氣缸 蓋中的進氣和排氣閥的頂面限定。隨著對新近內(nèi)燃發(fā)動機的高功率要求，降低內(nèi)燃發(fā)動機 的冷卻損失是重要的。作為降低冷卻損失的措施之一，一種方法是在燃燒室的內(nèi)壁上形成 由陶瓷制成的隔熱膜。
[0006] 但是，由于上述陶瓷通常具有低熱導率和高熱容量，會因表面溫度的穩(wěn)定提高而 發(fā)生進氣效率的降低或爆震（由于熱留在燃燒室而異常燃燒）。因此，陶瓷目前尚未廣泛用 作燃燒室內(nèi)壁的膜材料。
[0007] 因此，在燃燒室的壁表面上形成的隔熱膜理想的是由不僅理應具有耐熱性質(zhì)和絕 熱性質(zhì)還具有低熱導率和低熱容量的材料形成。此外，除低熱導率和低熱容量外，所述膜理 想的是具有可變形性以順應在燃燒室中燃燒時的爆炸壓力、噴射壓力以及反復熱膨脹和熱 收縮，以及理想的是難以因所述膜與氣缸體的基質(zhì)之間的熱變形量等而造成界面剝離。
[0008] 關(guān)于現(xiàn)有已知技術(shù)，日本專利申請公開如.2009-243355(開2009-243355六)和日 本專利申請公開No. 2010-185291(JP2010-185291A)各自描述了包括絕熱薄膜的內(nèi)燃發(fā) 動機，其中在具有比形成內(nèi)燃發(fā)動機燃燒室的基質(zhì)低的熱導率并具有低于或等于該基質(zhì)的 熱容量的材料內(nèi)形成氣泡。
[0009] 由此，JP2009-243355A和JP2010-185291A各自描述了在內(nèi)燃發(fā)動機燃燒室的 內(nèi)壁上形成具有低熱導率和低熱容量的薄膜的技術(shù)，且該膜可以是具有如上所述的優(yōu)異能 力的絕熱膜(隔熱膜）。
[0010] 但是，這些絕熱膜結(jié)構(gòu)使得在由陶瓷等制成的絕熱材料內(nèi)形成氣泡，因此不期望 該絕熱膜的高可變形性。因此，不便之處在于絕熱膜因在燃燒室中受到熱膨脹和熱收縮的 反復應力過程中的熱疲勞而受損，在絕熱膜和由鋁基質(zhì)制成的基底材料之間的熱變形差容 易提高，并在絕熱膜與基底材料之間的界面處容易發(fā)生剝離。
[0011] 發(fā)明概述
[0012] 本發(fā)明提供具有低熱導率、低熱容量和能夠順應反復熱膨脹和熱收縮的可變形性 并難以因隔熱膜與由鋁基元件，如氣缸體形成的壁表面之間的熱變形差造成界面剝離的隔 熱膜，和在壁表面上形成隔熱膜的方法。
[0013] 本發(fā)明的第一方面提供一種隔熱膜。該隔熱膜包括:在常溫至200°C的溫度范圍內(nèi) 具有15X1(Γ6/Κ至25X1(Γ6/Κ的線膨脹系數(shù)并由搪瓷材料制成的基質(zhì)層；和分散在所述基 質(zhì)層中的中空粒子，其中所述隔熱膜在鋁基元件的壁表面上形成，且所述隔熱膜擴散結(jié)合 于所述壁表面。
[0014] 在其上形成根據(jù)本發(fā)明的第一方面的隔熱膜的壁表面元件由鋁或鋁合金制成。壁 表面的應用不僅是面向內(nèi)燃發(fā)動機燃燒室的壁表面(在這種情況下，該元件是構(gòu)成燃燒室 的活塞、氣缸蓋等，且該壁表面是活塞的頂面或氣缸蓋的底面），還有需要低熱導率和低熱 容量的各種應用的壁表面，如構(gòu)成車輛進氣/排氣管線的壁表面、構(gòu)成禍輪機葉片的壁表面 和內(nèi)燃發(fā)動機的外壁、容納航天器的外殼等。當在內(nèi)燃發(fā)動機上應用隔熱膜時，內(nèi)燃發(fā)動機 可預計為汽油機和柴油機的任一種。
[0015] 在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的隔熱膜中，在基質(zhì)層上施加搪瓷材料，更具體地，搪瓷 材料在常溫至200°c的溫度范圍內(nèi)具有15X1(Γ6/Κ至25X1(Γ6/Κ的線膨脹系數(shù)。此外，將中 空粒子分散在基質(zhì)層中，且隔熱膜由基質(zhì)層和中空粒子形成。隔熱膜擴散結(jié)合于鋁基元件 的壁表面。"常溫"是指大約15至25°C的溫度。
[0016]由此，由于隔熱膜擴散結(jié)合于鋁基元件的壁表面，它們之間的界面的結(jié)合強度提 高。由于隔熱膜由在常溫至200°C的溫度范圍內(nèi)具有15Χ1(Γ6/Κ至25Χ1(Γ6/Κ的線膨脹系數(shù) 的搪瓷材料形成，該線膨脹系數(shù)基本等于鋁基元件的線膨脹系數(shù)(根據(jù)合金的類型，線膨脹 系數(shù)為19Χ1(Γ6/Κ至23Χ1(Γ6/Κ)。因此，在它們之間幾乎不存在熱變形差。由此，由于擴散 結(jié)合使得隔熱膜與鋁基元件的壁表面之間的結(jié)合強度高并且在隔熱膜與該元件之間幾乎 沒有熱變形差，因此防止界面剝離的效果提高。
[0017] 通過本發(fā)明的發(fā)明人的檢驗確定，f凡基玻璃料和釉料的混合材料適合作為構(gòu)成在 鋁基壁表面上形成的隔熱膜的搪瓷材料的材料。
[0018] 在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的隔熱膜中，搪瓷材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以低于或等 于400°C，且搪瓷材料的耐熱溫度可以高于或等于450°C。下面將描述隔熱膜的擺動效應 (swingeffect)。
[0019]內(nèi)燃發(fā)動機氣缸中的熱損失Q(W)可以通過(數(shù)學表達式l)Q=AXhX(Tg-Twall) 來表不，其中歸因于氣缸中的壓力和氣流量的傳熱系數(shù)h(W/ (m2K))、氣缸中的表面積A(m2)、 氣缸中的氣體溫度Tg(K)和面向氣缸內(nèi)部的壁表面的溫度Twall(K)。在內(nèi)燃發(fā)動機的循環(huán) 中，氣缸內(nèi)氣體溫度Tg瞬時改變。通過瞬時改變壁表面溫度Twall以使壁表面溫度Twall追 隨氣缸內(nèi)氣體溫度Tg，可以降低數(shù)學表達式1中的(Tg-Twall)的值，因此可以降低熱損失Q。
[0020] 燃燒室壁表面溫度Twall的變化可以被稱作擺動寬度，且燃燒室壁表面溫度對氣 缸中的氣體溫度的跟進能力可以被稱作擺動特性、擺動效應等。當溫度跟進能力高時，壁溫 度與氣缸氣體溫度之間的溫度差降低，因此可以降低熱損失并可以改進燃料經(jīng)濟性。隨著 擺動寬度提高，改進燃料經(jīng)濟性的效果提高，因此要求隔熱膜的熱物理性質(zhì)具有低熱導率 和低體積比熱以提高擺動寬度。
[0021] 與隔熱膜的擺動效應相關(guān)地，在隔熱膜內(nèi)出現(xiàn)基于擺動寬度(250至500°C)的溫度 梯度。在如現(xiàn)有隔熱膜的情況中那樣的由具有大楊氏模量（例如，氧化鋁的楊氏模量為 360GPa)的陶瓷材料制成的隔熱膜中，隔熱膜中的應力提高，并有可能發(fā)生膜內(nèi)破裂。
[0022] 250°C可以被規(guī)定為關(guān)于指示燃料經(jīng)濟性能的擺動寬度的閾值（目標值）。例如，當 擺動寬度為250°C時，250°C是壁表面與隔熱膜表面之間的溫度差（或溫度梯度）。由于在發(fā) 動機啟動時壁表面溫度提高到大約200°C，隔熱膜的表面溫度表示為200+250 = 450°C，其中 壁表面溫度為200°C。通過使用搪瓷材料以使隔熱膜的表面溫度低于或等于450°C，更合意 地，搪瓷材料具有比450°C低50°C的400°C作為玻璃化轉(zhuǎn)變點，隔熱膜在加熱發(fā)動機時容易 變軟并可以抑制膜內(nèi)破裂，如在加熱發(fā)動機時在隔熱膜的膜內(nèi)出現(xiàn)裂紋。也就是說，由于 250°C的溫度梯度，在隔熱膜的內(nèi)或外表面上可出現(xiàn)溫度應力;但是，由于隔熱膜變軟，抑制 了歸因于溫度應力的膜內(nèi)破裂。
[0023]另一方面，理想的是隔熱膜的表面在450°C的溫度氣氛中不會熱變(耐熱性質(zhì)）。通 過本發(fā)明的發(fā)明人的檢驗確定，通過使用由上述釩基搪瓷材料制成的隔熱膜，隔熱膜具有 低于或等于400°C的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和大約450°C或更高的耐熱性質(zhì)。
[0024] 在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的隔熱膜中，搪瓷材料可含有二氧化硅，中空粒子各自 可具有二氧化硅基外殼，且各二氧化硅基外殼的表面可以被親水基團改性。
[0025] 在形成隔熱膜時，將玻璃料與釉料混合，將通過使該混合物含有中空粒子并用水 調(diào)節(jié)粘度而獲得的材料例如噴涂到壁表面上，并通過加熱來燒制搪瓷材料。由此形成隔熱 膜。當使用釩基玻璃料(氧化釩)作為搪瓷材料的材料時，在玻璃料由氧化釩和二氧化硅的 混合材料形成的情況下或在釉料中含有二氧化硅的情況下，所述中空粒子各自具有二氧化 硅基外殼并具有與搪瓷材料的高粘合。此外，親水基團將各中空粒子的表面改性，因此在將 搪瓷材料和中空粒子與水混合時使中空粒子均勻分散在水中。因此，可以將中空粒子均勻 分散在待形成的隔熱膜中?？梢允褂敏然鳛?親水基團"。
[0026] 在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的隔熱膜中，隔熱膜可具有由上層和與所述壁表面相鄰 的底層構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，且所述底層可以不含中空粒子或可以含有比所述上層少的量的中 空粒子。
[0027] 隔熱膜具有由上層和與所述壁表面相鄰的底層構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，且所述底層不含 中空粒子或含有比所述上層少的量的中空粒子，因此預期下列有利效果。要求含有盡可能 大量的中空粒子以實現(xiàn)隔熱膜的功能，并且已知，作為用于